Wie die Aerosol-Simulation Krankenhäuser unterstützt

Die Verbreitung von Krankheiten über die Atemluft ist keine neue Entdeckung. Seit vielen Jahrzehnten ist bekannt, dass selbst feinste Partikel als Überträger von Viren ausreichen können. Dieses Wissen erlangt nun durch das weltweite Geschehen im Zuge der Coronapandemie eine neue und viel grössere Bedeutung. Besonders in hochsensiblen Bereichen wie Spitälern müssen Übertragungen erfolgreich ausgeschlossen werden, um Risikopatienten zu schützen und Pflegepersonal nicht zu gefährden.

Neuste Untersuchungen zeigen, dass speziell die Übertragung über Aerosole (kleinste Luftpartikel) ein Risiko darstellen. Oftmals ist nicht ganz klar, wie sich diese ausbreiten und welche Massnahmen wirkungsvoll die Ausbreitung der Partikel beziehungsweise Aerosole reduzieren und kontrollieren. Die von staatlicher Seite geforderten Hygieneregeln, wie das Tragen eines Mund-Nasen-Schutzes und Abstandsgebote, liefern einen groben Leitfaden, um Ansteckungen zu minimieren. Immer mehr Einrichtungen gehen heute aber einen Schritt weiter: Die Simulation von Luftbewegungen und Aerosolen soll Gefahrenherde identifizieren, Übertragungsmechanismen visualisieren und dadurch verständlich machen. Daraus lassen sich Wege für wirkungsvolle Schutzmassnahmen ableiten.

Die Strömungssimulation ist in anderen Bereichen ein gängiges Mittel. In der Automobilentwicklung etwa ist sie seit Langem Bestandteil des Designprozesses. Diese Abläufe und das entsprechende Wissen lassen sich nun auch auf die Räumlichkeiten in Krankenhäusern anwenden. Zuerst wird das Gebäude inklusive aller relevanter Details als digitaler Zwilling abgebildet, dabei wird etwa berücksichtigt: Wo sind Ein- und Auslässe der Lüftungsanlage, wo Wärmequellen? Diese Parameter haben entscheidenden Einfluss auf die spätere Simulation. In einem zweiten Schritt wird Husten, Niesen oder Ausatmen digital mit virtuellen Personen modelliert. Diese Simulation geschieht unter Berücksichtigung von Aussenfaktoren wie Temperatur, Sonneneinstrahlung oder Luftdruck. Dabei werden zahlreiche Datenpunkte simuliert und ausgewertet. Durch Algorithmen werden diese anschliessend miteinander verknüpft, um einen ganzheitlichen Blick auf die Luftströmung zu erhalten. Mit dem Einsatz der hocheffizienten Lattice-Boltzmann-Rechenmethode ist eine Betrachtung auch über einen längeren Zeitraum und mit besonders hoher Detailtiefe möglich. Auf Basis dieser Simulation wird Verantwortlichen schnell bewusst, wo Gegenmassnahmen notwendig sind und wie diese aussehen müssen.

Diese Technologie machte sich unter anderem das Krankenhaus Hôpital Saint-François im französischen Marange-Silvange in der Nähe von Metz zunutze. Bei der Errichtung eines speziellen Isolationsbereichs für Covid-19-Patienten wurde festgestellt, dass trotz räumlicher Trennung eine Verbreitung von Aerosolen nicht ausgeschlossen werden konnte. Die Simulation des betroffenen Traktes zeigte jedoch auch, dass bereits kostengünstige und schnell umsetzbare Massnahmen entscheidend dazu beitragen können, das Infektionsrisiko zu minimieren. So wurden etwa Lüftungsregeln abgeleitet und das Krankenhauspersonal auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse dafür sensibilisiert, auch beim Wechsel zwischen Patientenzimmern ihre FFP2-Masken weiter zu tragen. Dies alles geschah innerhalb weniger Tage und konnte somit direkt dazu beitragen, Menschen effektiv zu schützen.

Im Hinblick auf die bevorstehende kältere Jahreszeit, wird die Simulation von Luftströmungen in Gebäuden weiter an Bedeutung gewinnen. Unternehmen, öffentliche Einrichtungen oder auch Restaurants können davon schon heute profitieren und dabei unterstützen, Infektionsketten nachhaltig zu unterbrechen.